煤礦井下供電監(jiān)控及防越級跳閘系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

陳明明

(山西晉煤集團技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006)

供電系統(tǒng)作為煤礦六大系統(tǒng)之一機電系統(tǒng)的重要組成部分，在煤礦生產(chǎn)中具有舉足輕重的地位，作為礦井生產(chǎn)的主要動力來源，直接關(guān)系著整個礦井的生產(chǎn)產(chǎn)量。越級跳閘作為供電系統(tǒng)的常見事故之一，具有影響范圍大、故障判斷難等特點，此類事故一旦發(fā)生，將會造成采區(qū)大面積停電停產(chǎn)，嚴重影響礦井生產(chǎn)。煤礦井下供電監(jiān)測及防越級跳閘系統(tǒng)作為監(jiān)測煤礦井下供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定高效運行防止越級跳閘事故的有效手段，得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

晉能控股煤業(yè)集團趙莊煤業(yè)二號井作為晉能控股煤業(yè)集團主力礦井之一，其礦井供電系統(tǒng)層級多，防越級跳閘功能不完善，存在因漏電保護判定依據(jù)不準確，導(dǎo)致井下高壓漏電保護亂跳、誤跳等問題，且防越級跳閘系統(tǒng)只做了井下部分，未實現(xiàn)地面與井下供電監(jiān)控整體防越級跳閘系統(tǒng)建設(shè)。鑒于此，設(shè)計了一套可靠的供電監(jiān)測及防越級跳閘系統(tǒng)，系統(tǒng)在高壓部分采用診斷信號法進行精準漏電保護，在低壓部分采用復(fù)合信號法進行精準漏電保護，并利用工業(yè)環(huán)網(wǎng)進行上位機遠程監(jiān)控，統(tǒng)一電網(wǎng)監(jiān)控平臺，實現(xiàn)了電網(wǎng)的遠程實時監(jiān)控和定期巡視、故障自動定位、隔離故障區(qū)段等功能，進一步推進了趙莊煤業(yè)二號井的數(shù)字化、信息化建設(shè)[2]。

1 防越級跳閘系統(tǒng)原理

1.1 診斷信號法漏電保護系統(tǒng)

診斷信號法漏電保護系統(tǒng)由SY3601 消弧與信號注入柜、分散式智能選漏綜合保護器（ZBT-11C防越級高開綜合保護器或者ZBT-11XL 高壓選漏及消弧裝置）構(gòu)成，保護器之間以及保護器與注入柜之間無需通信連線，在地面任一變電所母線上接入一臺消弧與信號注入柜，配合智能選漏綜合保護器實現(xiàn)漏電保護。如果高壓供電系統(tǒng)是分列運行的，每個分列供電系統(tǒng)需安裝一臺SY3601 消弧與信號注入柜[3]。智能選漏綜合保護器有兩種，一種是ZBT-11C 防越級高開綜合保護器，另一種是ZBT-11XL 高壓選漏及消弧裝置。ZBT-11C 防越級高開綜合保護器內(nèi)置了信號捕捉模塊和算法，可以在實現(xiàn)防越級保護的同時，配合消弧與信號注入柜實現(xiàn)基于外部信號的高壓智能選漏保護系統(tǒng)。ZBT-11XL高壓選漏及消弧裝置是專門研發(fā)的基于外部信號的漏電保護器，它也可與信號注入柜配合實現(xiàn)漏電保護。ZBT-11XL 高壓選漏及消弧裝置體積小，適合于安裝在礦用一般型開關(guān)柜中，也適合安裝在高爆開關(guān)中。在沒有安裝ZBT-11C 防越級高開綜合保護器的高爆開關(guān)中，安裝ZBT-11XL 高壓選漏及消弧裝置實現(xiàn)基于診斷信號的高壓漏電保護系統(tǒng)[4]。其工作原理如圖1。

圖1 診斷信號法漏電保護系統(tǒng)工作原理

地面SY3601 消弧與信號注入柜在探測到供電系統(tǒng)有單相接地時，向供電系統(tǒng)注入診斷信號；ZBT-11C 防越級高開綜合保護器或ZBT-11XL 高壓選漏及消弧裝置對注入的診斷信號進行檢測，當診斷信號值達到設(shè)定值時，判定為接地線路，異頻漏電保護出口跳閘，切除故障，供電系統(tǒng)供電恢復(fù)正常；井上下高壓開關(guān)所安裝ZBT-11C 防越級高開綜合保護器內(nèi)部已經(jīng)具有對診斷信號檢測功能的漏電保護，無需增加硬件即可解決漏電選擇性問題。

1.2 復(fù)合信號法漏電保護系統(tǒng)

復(fù)合信號法漏電保護系統(tǒng)使用網(wǎng)絡(luò)拓撲算法，每個開關(guān)既是數(shù)據(jù)采集器，也是數(shù)據(jù)分析器，系統(tǒng)將原主機進行的運算判斷功能下放至各個開關(guān)，減少主機運算量和網(wǎng)絡(luò)占用率，通過分散安裝的DYZB-01 礦用低壓綜合保護器搭建的專用保護信息網(wǎng)快速交換信息，能夠快速判斷故障區(qū)段，準確切斷距離故障點最近的上級開關(guān)，同時各級開關(guān)也可以相互驗證判斷結(jié)果，提高故障判斷的準確性，進一步實現(xiàn)防越級跳閘的目的[5]。

復(fù)合信號法漏電保護系統(tǒng)主要由DYZB-01 礦用低壓綜合保護器、KJJ156 礦用本安型網(wǎng)絡(luò)交換機以及礦用光纜網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。每個防越級綜合保護器通過通信總線接入防越級跳閘網(wǎng)絡(luò)交換機，交換機間通過光纜連接構(gòu)成高速通信防越級環(huán)網(wǎng)。環(huán)網(wǎng)搭建光纖防越級通道，采用快速故障信息報文交互技術(shù)，實現(xiàn)防越級跳閘功能[6]。系統(tǒng)工作原理如圖2。

圖2 復(fù)合信號法漏電保護系統(tǒng)工作原理

終端線d1 處發(fā)生短路時，1DL、2DL、3DL、4DL、6DL 全部檢測到短路電流；1DL、2DL、3DL、4DL 通過故障信息互換與判斷，判定為區(qū)域外故障，閉鎖防越級保護；6DL的短路保護動作跳閘，以切斷故障回路，同時發(fā)信號給4DL 啟動后備保護；一旦6DL 開關(guān)拒動，則故障依然存在，4DL 的智能后備保護立刻動作切斷相應(yīng)故障回路；如果4DL 通信完全中斷，不能進行防越級保護動作，4DL 自帶的固定延時短路保護起作用，切斷故障回路。

當聯(lián)絡(luò)線d3 處發(fā)生短路時，1DL、2DL、3DL、4DL、5DL 全部檢測到短路電流；1DL、2DL、3DL、4DL、5DL 通過故障信息互換與判斷，判定故障發(fā)生在d3 處，1DL、2DL、3DL、4DL 閉鎖防越級保護；5DL 防越級保護動作跳閘，以斷故障回路，同時發(fā)信號給4DL 啟動智能后備保護；此時，如果5DL 拒動，4DL 動作跳閘，切斷故障回路；如果4DL 也拒動，或通信完全中斷，則由4DL 自帶的固定延時短路保護起作用，切斷故障回路。

當母線d2 處發(fā)生短路時，1DL、2DL、3DL、4DL 全部檢測到短路電流,而5DL 與6DL 沒有檢測到短路電流；1DL、2DL、3DL 通過信息互換與判斷，判定為區(qū)域外故障，閉鎖防越級保護；4DL沒有接收到下級故障信息，判斷為母線故障，此時差動保護動作，切斷故障回路，同時3DL 啟動智能后備保護；如果3DL 與4DL 通信故障或4DL 開關(guān)異常，3DL會由固定延時短路跳閘，切斷故障回路[7]。

2 井下供電監(jiān)控及防越級跳閘系統(tǒng)

井下供電監(jiān)控及防越級跳閘系統(tǒng)主要由高壓部分和低壓部分組成，高壓部分包含地面變電站及井下變電所的高壓開關(guān)；高壓部分指井下動力移動變電站到饋電開關(guān)部分。系統(tǒng)的拓撲圖如圖3。

圖3 煤礦井下供電監(jiān)控系統(tǒng)拓撲圖

高壓部分通過對井下變電所已安裝的ZBT-11C防越級高開綜合保護器進行程序升級使其具備診斷信號法漏電保護功能，并與地面變電站安裝的SY3601 消弧與信號注入柜配合，采用診斷信號法漏電保護原理，實現(xiàn)井下變電所高壓漏電系統(tǒng)的精準漏電保護功能，徹底解決井下高壓開關(guān)在發(fā)生漏電故障時，保護亂跳、誤動、選擇性不準確問題[8]。

低壓部分利用井下變電所內(nèi)低壓饋電開關(guān)綜合保護器升級改造為帶有防越級及電能計量功能的DYZB-01 礦用低壓綜合保護器，把變電所內(nèi)的DYZB-01 礦用低壓綜合保護器通過RS-485 方式接入電力監(jiān)控分站，實現(xiàn)變電所當?shù)丶斜O(jiān)控和地面監(jiān)控中心進行遠程遙測、遙信、遙控、遙調(diào)、遙脈、遙試等功能[9]。

3 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)上位機采用時下最流行的BS 架構(gòu)技術(shù)，依靠其特有的硬件構(gòu)架除具有實時監(jiān)控顯示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、查詢、故障診斷及報告功能外，還具有：

1）一鍵送電功能。可在后臺通過編程實現(xiàn)對變電所開關(guān)按照先后順序快速逐級恢復(fù)送電；恢復(fù)送電的順序可根據(jù)礦具體情況進行修改[10]；

2）事件記錄存儲檢索功能。系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備出現(xiàn)狀態(tài)變化時，系統(tǒng)會自動生成帶時標的事件記錄，存儲在磁盤中，方便后期的檢索查詢；

3）故障定位功能。系統(tǒng)能夠根據(jù)保護器動作信息，自動判斷故障發(fā)生區(qū)域，定位故障區(qū)間，判斷故障停電影響范圍，并給出恢復(fù)送電的最優(yōu)方案；

4）故障錄波功能。可以對故障時刻的數(shù)據(jù)進行分析,橫向和縱向比較，更快更準地確定故障點和故障情況[11]。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)于2021 年10 月完成系統(tǒng)調(diào)試，并投入試運行。在為期一年的試運行期間，井下供電線路未發(fā)生一起越級跳閘事故，線路發(fā)生故障跳閘時，系統(tǒng)多次準確判斷出故障區(qū)域，快速自動斷電，并給出最優(yōu)恢復(fù)供電方案，將因供電線路跳閘影響的生產(chǎn)區(qū)域縮小到最小范圍，為礦井的安全高效生產(chǎn)提供有力的供電支撐。